從太空看地球和太陽(yáng)。
太陽(yáng)在天空中以一種可預(yù)測(cè)的方式運(yùn)行，你可能永遠(yuǎn)不會(huì)懷疑它與地球的關(guān)系一直在變化。事實(shí)上，地球和太陽(yáng)之間的平均距離每年都不是靜止的。那么我們知道地球離太陽(yáng)是越來(lái)越近還是越來(lái)越遠(yuǎn)了嗎?是什么力量作用在我們的星球和恒星上使這一切發(fā)生的呢?
簡(jiǎn)而言之，隨著時(shí)間的推移，太陽(yáng)離地球越來(lái)越遠(yuǎn)。根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的數(shù)據(jù)，地球平均距離太陽(yáng)約9300萬(wàn)英里(1.5億公里)。然而，它的軌道并不是完美的圓形;它是微微橢圓形的。這意味著地球到太陽(yáng)的距離可以在大約9140萬(wàn)到9450萬(wàn)英里(1.471億到1.521億公里)之間。
不過(guò)，平均而言，地球和太陽(yáng)之間的空間是隨著時(shí)間慢慢增加的。這種增長(zhǎng)的距離有兩個(gè)主要原因。一是太陽(yáng)正在失去質(zhì)量。另一種力量與引起地球潮汐的力量相同。
太陽(yáng)在收縮
為太陽(yáng)提供能量的核聚變反應(yīng)將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，遵循愛(ài)因斯坦著名的方程E = mc^2。因?yàn)樘?yáng)不斷地產(chǎn)生能量，它的質(zhì)量也在穩(wěn)定地下降。在太陽(yáng)剩余的生命周期中——據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)估計(jì)還需要50億年左右——恒星如何隨著時(shí)間演變的模型預(yù)測(cè)，太陽(yáng)在開(kāi)始死亡前將失去其總質(zhì)量的0.1%左右。
雖然0.1%聽(tīng)起來(lái)不多，但這是一個(gè)很大的數(shù)字。它的質(zhì)量和木星差不多。而木星的質(zhì)量大約是地球的318倍。
一個(gè)物體的引力強(qiáng)度與它的質(zhì)量成正比。由于太陽(yáng)的質(zhì)量正在下降，它對(duì)地球的引力正在減弱，導(dǎo)致我們的星球每年以大約2.36英寸(6厘米)的速度遠(yuǎn)離我們的恒星。
這是非常微不足道的，特別是與地球軌道距離的正常變化相比，因?yàn)樗能壍朗锹晕E圓的，大約3%。
潮汐的影響
就像月球的引力會(huì)導(dǎo)致地球上的潮汐一樣，地球的引力也會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)的潮汐。這拉伸了太陽(yáng)面向地球的一面，導(dǎo)致了“潮汐膨脹”。
太陽(yáng)大約每27天繞軸旋轉(zhuǎn)一次。因?yàn)檫@比地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周所需的365天要快，所以地球在太陽(yáng)上產(chǎn)生的潮汐隆起位于地球的前方。隆起部分的質(zhì)量與引力有關(guān)，將地球拉向其軌道，并將其拋離太陽(yáng)更遠(yuǎn)。類似的效果是導(dǎo)致地球的月球慢慢遠(yuǎn)離我們的星球。
然而，這些潮汐力對(duì)地球軌道的影響非常微弱：它們導(dǎo)致地球每年離太陽(yáng)移動(dòng)約0.0001英寸(0.0003厘米)。
氣候有重大變化嗎?
地球離太陽(yáng)越來(lái)越遠(yuǎn)會(huì)影響地球的氣候嗎?
隨著地球遠(yuǎn)離太陽(yáng)，太陽(yáng)的光線將變得更暗?？紤]到在未來(lái)50億年里，地球與太陽(yáng)的距離可能會(huì)增長(zhǎng)0.2%，這種變暗對(duì)應(yīng)于撞擊地球表面的太陽(yáng)能減少0.4%。與地球橢圓軌道造成的太陽(yáng)亮度的正常變化相比，這是相對(duì)較小的，所以不用太擔(dān)心。
更值得擔(dān)心的是，隨著太陽(yáng)在未來(lái)50億年的演化，恒星演化模型預(yù)測(cè)，它的亮度將每10億年增加約6%，緩慢地提高地球的溫度，并使海洋沸騰。這將使地球在被太陽(yáng)吞噬之前就不再適合人類居住。
其他天體的影響
最近的研究表明，木星和太陽(yáng)系其他行星的軌道隨著時(shí)間的推移發(fā)生了變化。那么，它們的軌道是否會(huì)變得足夠不穩(wěn)定，以至于有一天影響地球的軌道，使地球離太陽(yáng)更近或更遠(yuǎn)?或者可能有其他天體經(jīng)過(guò)太陽(yáng)系附近，產(chǎn)生了類似的效果?
試圖預(yù)測(cè)像太陽(yáng)系或附近恒星這樣的多體系統(tǒng)的引力相互作用的問(wèn)題是，它們是混亂的，這意味著它們不可能以任何確定性來(lái)預(yù)測(cè)。具體來(lái)說(shuō)，我們不知道這些行星會(huì)在超過(guò)1億年的時(shí)間尺度上位于哪里，因?yàn)闇y(cè)量中的微小誤差和未建模的相互作用產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)隨著時(shí)間的推移變得太大。
我們?nèi)匀豢梢岳眠@種混亂，通過(guò)對(duì)同一個(gè)混沌系統(tǒng)進(jìn)行多次模擬，看看事件發(fā)生的概率是多少。這與預(yù)測(cè)天氣模型的工作原理類似。
太陽(yáng)系行星的示意圖。
2009年《自然》雜志上的一項(xiàng)研究進(jìn)行了大約2500次太陽(yáng)系模擬，發(fā)現(xiàn)在其中約1%的模擬中，水星的軌道變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致它撞向太陽(yáng)或金星。因此，從理論上講，水星可以通過(guò)地球移動(dòng)，并大幅改變其軌道，就像它在一次模擬中對(duì)火星所做的那樣。不過(guò)，從它們?cè)谀M中的罕見(jiàn)程度來(lái)看，這是非常不可能的。
經(jīng)過(guò)的恒星、行星或其他天體擾亂地球軌道的可能性也很小。粗略計(jì)算表明，我們應(yīng)該只期望每萬(wàn)億年有一顆恒星比冥王星的軌道更近。任何已經(jīng)在我們太陽(yáng)系中的彗星，也不會(huì)有足夠的質(zhì)量或能量來(lái)實(shí)質(zhì)性地影響我們的軌道。
太陽(yáng)的死亡
大約50億年后，當(dāng)太陽(yáng)耗盡氫燃料后，它將開(kāi)始膨脹，成為一顆紅巨星。假設(shè)地球繼續(xù)不間斷地前進(jìn)，它會(huì)遠(yuǎn)離垂死的太陽(yáng)，躲過(guò)太陽(yáng)的死亡陣痛嗎?
目前關(guān)于太陽(yáng)在紅巨星階段會(huì)膨脹多少還存在一些分歧。有一種可能性是，它不會(huì)膨脹到足以到達(dá)地球，這意味著我們的星球可能會(huì)幸存下來(lái)，并繼續(xù)繞地球運(yùn)行。然而，大多數(shù)估計(jì)表明，太陽(yáng)將增長(zhǎng)到足以吞噬地球，導(dǎo)致地球“向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，走向湮滅”。
然而，即使地球幸存下來(lái)，人類也沒(méi)有機(jī)會(huì)與它一起生存。太陽(yáng)的熱量和輻射不僅會(huì)使海洋和大氣沸騰，還可能使地球沸騰。人類必須在燃燒的熔巖球被吞噬之前很久離開(kāi)它。
如果人類在50億年后仍然想要地球在太陽(yáng)膨脹期間保持宜居，我們就必須慢慢地將地球向外移動(dòng)到土星的軌道上，在太陽(yáng)持續(xù)輸出越來(lái)越多的能量的同時(shí)，保持地球的溫度足夠適合生命的存在。
然而，這是相當(dāng)不切實(shí)際的。更簡(jiǎn)單的解決方案是放棄地球，尋找另一個(gè)行星或太陽(yáng)系居住。
